基于探究式學習的在線實驗設計與研究*

姚 俊，程 華, 應衛勇

(華東理工大學 網絡教育學院，上海 200237)

基于探究式學習的在線實驗設計與研究*

姚 俊，程 華, 應衛勇

(華東理工大學 網絡教育學院，上海 200237)

在線實驗對于工科遠程教育、多校區之間的實驗教學和高校間實驗共享都有重要的意義。作為新型的實驗形式，在線實驗不是傳統實驗的簡單網絡化，其在實驗過程中強調在線探究式學習策略以及對學習者實驗行為的記錄與反饋，在基于數據整合與分析的基礎上對其進行在線評價。這種思想體現于在線實驗設計、開發到實施的整個過程，對于在線實驗中實現工程化的實驗教學理念有著重要作用。該文以國內外典型在線實驗課程的設計和開發為例，主要從實驗方案探究學習、實驗操作過程探究學習等方面來說明探究式策略于在線實驗中的應用，以及如何基于過程考核體系來評價在線實驗中探究式學習的效果。

在線實驗；探究式學習；在線評價體系

一、引言

在線實驗對于工科遠程教育、多校區之間的實驗教學和高校間實驗共享都有重要的意義。因此，實驗課程的開發和應用必須適應在線學習環境下的特點，采用適合在線學習特點的探究式實驗方法，通過在線引導學生在實驗方案、實驗過程等方面的探究，并對實驗過程進行全程監控，實現探究式學習過程的記錄和考核，為實驗評價提供科學依據，同時能在智能化數據分析與挖掘的基礎上，進行實驗模塊的進一步優化，根據個人能力和專業特點為學生提供個性化的實驗教學方案，真正實現工程化的實驗教學理念[1]。

在線實驗是通過互聯網方式，遠程操作網絡虛擬實驗或遠端真實設備，開展實驗的方式。相對于傳統實驗教學模式，在線實驗存在以下優勢：

(1)為在線學習學生提供了實驗解決方案，克服了在線學習的學生居住地理位置分散、集中安排實驗時間實施困難的問題，學生即使不能到現場也能完成實驗。

(2)降低實驗成本，克服了傳統實驗設備價格較高，設備的套數有限，在數量和質量上都難以保證學生使用的問題。

二、在線實驗的探究設計

在線實驗模擬了現場實驗的場景，但卻不是現場實驗的簡單網絡化移植，實驗設計本身發生了較大變化。由于在線實驗的互聯網支持和計算機模擬等特點可以更好地提供一個促進思考和探究的環境，系統能在線記錄學生的獨立操作，為評價提供科學的依據，并可在此基礎上通過數據挖掘和優化，調整實驗設計，充分發揮學生的能動性，能適應不同水平和能力學生的要求?；谝陨咸攸c，筆者設計了與現場實驗存在較大區別的在線實驗探究式學習模式。

培養學生的工程思維和能力是實驗設計的核心問題。由于CDIO模式繼承和發展了工程教育改革的理念，系統地提出了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評的標準，因此，我們主要基于CDIO的理念來設計在線實驗模式和方法，強調工程實踐環境中探與究的學習來實現CDIO的全過程，使得學生以更多元的方式進行工程實踐訓練[2]。

CDIO是以構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)、運作(Operate)為四個主線過程，綜合地考慮專業基礎知識、個人和職業的技能及團隊協作與溝通的技能，及在整個企業、社會環境下進行四個主線過程以達到全面提升工程實踐能力的培養過程[3]。

CDIO模式中的構思和設計環節主要針對學生的工程宏觀分析能力，而實現和運作環節主要針對學生的工程微觀分析和操作能力。作為一個縮小版的工程實踐過程，在線實驗的實驗方案的設計實際上就是構思和設計過程，而實驗過程就是實現和運作過程[4]。因此，探究式學習主要體現在實驗方案探究與實驗過程的探究兩個方面。以下我們將通過遠程教育高校開發的典型實驗來具體說明其設計理念。

(一)實驗方案探究設計

實驗方案的探究主要培養學生的工程宏觀分析能力。在傳統的實驗教學模式下，實驗按照統一的方案展開，學生沒有選擇性。這種教學模式適用于理論驗證性的實驗，但在以培養學生工程能力為主的實驗中，就會壓制學生的想象力和主動探究的意識。因此，實驗方案探究是實驗教學策略的最重要部分。

實驗的主要目的是認識和探索理論規律，掌握工程技能，應該以問題為驅動開展實驗方案的探究，學生對于老師提出的問題，以分析問題和解決問題為出發點，經過認真思考和研究，自主制定實驗方案，通過搭建實驗對象，準備儀器設備、測量各種工況下的數據，整理和判斷實驗數據和結果的正確性。這就要求實驗具有基于工程的實際背景設計，學生才可能在這種開放性的實驗環境下，對多種可能的實驗方案展開探究。

英國開放大學的實驗“能量轉換(Energy Conversion)”是典型的實驗方案探究型實驗。實驗設計背景是銅的工業化生產，實驗問題是如何從銅礦石經過多個環節得到電解銅[5]。

教師首先要求學生設計基本方案。學生在實驗前1個月必須預習，由4人組成的實驗小組需要集體制定實驗方案，由于實驗問題本身的開放性，實驗方案也并不是確定的，指導老師只給出一些建議。從粉碎礦石到解析出銅的多步實驗步驟中，有多種途徑可以完成實驗，學生們集體討論得到設計方案。在實驗過程中，方案根據實際情況還繼續修正。

完成基本方案設計以后，實驗完成過程也是實驗方案探究過程。學生在實驗室邊實驗、邊觀察、邊記錄、邊討論，每個實驗環節都要求去解答或解決一些相關的問題，如粉碎的效率、溶解濃度以及電解效率等，部分環節還要到計算機上進行數學模型的求解。實驗過程中進行觀察記錄和模型預測，最后對實驗結果進行驗證。 實驗結束后，學生還必須根據本星期實驗情況，做口頭報告(Presentation)，教師根據學生預習和作業情況、實驗過程的表現以及口頭報告，給出實驗課程的最終評價[6]。

可以看出，整個實驗過程就是針對如何從銅礦石得到電解銅的這個具有工程背景的問題，在不斷探究的過程中制定和實施實驗方案的過程，這對學生工程宏觀分析能力的培養大有裨益。

(二)實驗過程探究

實驗過程探究主要培養學生的工程微觀分析與操作能力。傳統工科專業的實驗操作基本是按部就班地完成，對于故障分析與解決、規范操作等重要技能以及如何培養學生的工程意識、工程能力、創新能力還較少涉及，這顯然不能滿足工程應用型人才的培養需求。

實驗過程探究式是在實驗過程中，教師給學生一定的引導和提示，讓學生自己通過觀察、思考、動手實施等途徑去獨立探索和研究，自行實現實驗過程的教學策略。概括起來，在實驗過程探究中，學生需要在實驗過程中自主發現問題，分析問題，實施和運行，真正實現探與究的學習過程。

在工程實際環境中，觀察與發現各種現象、分析現象之間的聯系。因此在線實驗系統會較為真實地模擬這些現象，學生經過現象分析，確定現象發生的內因與外因；結合理論進行討論，明確調節目標與調節手段，形成解決方案。實驗系統設計必須便于討論和方案設計。

華東理工大學DCS實驗是較為典型的實驗過程探究型實驗。實驗主要培訓學生DCS操作能力和故障處理能力。由于DCS系統本身的大多數操作都是基于計算機的操作，因此網上實驗課程的界面仿真DCS系統的計算機控制部分操作的界面(如圖1所示)。以下用一個簡單的故障處理實驗來說明實驗過程探究的實驗。

圖1 DCS實驗界面

在實驗中，設計了一個常見的故障處理，在圖1的界面中，學生觀察到粗丙酮塔T-601頂溫度儀表TI-6006出發異常過高報警，系統要求學生調節至正常運行溫度73.0-80.0℃。

在觀察到異常過高報警后，學生將按照所學知識和工程常識，作出如下分析：粗丙酮塔頂溫度上升可能有4三個工藝方面的原因，分別是加水量過大、回流量過小或再沸器回水量過小，也有可能是儀表自身故障因素。

既然存在這三種可能，就必須通過其他觀察和分析來確定故障原因，因此學生首先需分別檢查相關三個儀表，即加水量儀表FRC-6015，回流量儀表FR-6019，E-601再沸器回水儀表FRC-6014，以確定儀表正常工作。學生觀察到回流量儀表FR-6019讀數偏小，就可以判斷出是因為回流量不足造成塔頂溫度升高。

在通過觀察分析找到故障原因后，學生根據工藝理論，確定解決方案，即增大塔頂回流量，需要調節FR-6019儀表。在工程環境中，不能進行一步到位的調節，以免造成大的擾動，需逐步小范圍調整，邊調邊等。因此學生在實施解決方案，必須仔細閱讀操作守則，將溫度調節至正常運行溫度的整個操作過程必須符合現場操作規范。

操作實施時，首先將LRC-6023改為手動控制，每次增加調節閥閥位必須小于2%—這是操作守則要求的，如果學生超出這個閥位標準進行調節，訓練中系統將給出警告，在考試中則行為將被記錄，作為扣分依據。每次調節后系統會根據數學模型的計算將相應儀表調至相應位置，學生一邊觀察表顯示情況一邊調解，直至塔頂溫度恢復到73.0-80.0℃，最后將LRC-6023設置為自動控制。

可以看出，此實驗在整個故障處理過程中，并不像普通課程實驗制定嚴格的步驟，而是讓學生根據工程實際情況，通過自主觀察分析來制定解決方案，然后根據操作規范來一邊觀察一邊操作運行，整個課程設計與教學過程較好地體現了探究式的教學策略。

三、基于過程考核的在線評價體系

對實驗學習成果進行全面評價是在線實驗的重要環節，這樣才能對學生探究式學習過程進行科學合理的評價。傳統現場實驗模式中以數據處理和實驗報告結果來評價只能作為在線實驗中評價模式的參考。

對于參加實驗的學生，主要應考慮的因素是其在實驗的準備情況、在實驗過程中探與究的情況，即觀察問題和分析問題的準確性，設計方案的優劣，操作實施過程的規范性、和其他同學交流情況，以及對理論知識的掌握能力和應用能力，因此必須據此建立新的實驗評價體系，即基于實驗過程考核的評價體系。

在線實驗評價體系主要分為理論掌握情況、實驗操作能力、合作交流能力，其中實驗操作能力是最為重要的指標。理論掌握情況主要考察預習思考題，實驗操作能力包括是否選擇了正確的儀器或儀表、設計方案是否適當、操作目標是否達到、操作過程是否規范、數據處理與實驗報告是否符合要求等都可以作為實驗過程考核的指標。同時，每一門實驗課程提供BBS建立單門實驗的學習社區，學習者就一些問題難題發帖，由專門的輔導教師回答問題，并確認學習者所發的有效帖數等。

其中實驗操作規范是較為特殊的指標，在工程實際中，操作規范化及其重要，否則將引來災難性后果。因此，必須設定一個閥值，學生如果出現較為嚴重的操作規范問題，不論其他指標分數如何，都將判定為不合格，我們定義為罰指標。

本文選取上述7個指標因子構成學生實驗教學的基本評價指標體系,并依次設其為A1，A2，…，A7，其中A6為罰指標因子，如表1所示。

表1 實驗過程考核參數指標

通過在線實驗系統中自動記錄實驗儀器選取、操作等參數，對學生實驗過程進行跟蹤。結合在線實驗平臺的應用，在實踐中我們采用了一個有七個參數的指標體系，包括預習思考題分數、實驗儀器選取、實驗方案正確性，操作規范性、數據處理、實驗報告、在學習社區的交流情況。對這七個參數賦予不同的權重就可以得到該學生的最終成績，下面分項說明一下每個指標的含義。

由于每個指標因子只反映了學生實驗學習的某個方面的特征，各學?？梢愿鶕拘嶋H情況規定指標因子及其特征值，以及罰指標因子的規定。表1顯示的是華東理工大學指標因子的重要性規定，并因此為權重來加權學生實驗的綜合得分,其數學模型如下：

其中A為各項指標權重，X為學生各項指標得分。

在指標體系中，各項指標的權重大致說明了其重要性，這七個參數基本上涵蓋了學生從準備到完成全過程的表現情況，對每一個指標賦于權值并最終得到終結性評價課程成績，各項指標的加權和就是實驗評價分數。

少數指標雖然權重并不高，由于在工程實踐中具有重要意義，低于一定分數整個實驗過程將評價為不合格。比如在前文提到的DCS實驗中，在多次出現不規范操作并且在系統警告后仍然出現2次以上不規范操作，整個實驗過程將被判定為不合格。

對于通過經驗方式得到的實驗過程考核評價體系，在經過一定的數據積累以后，可以進行智能化的處理和分析，為學生提供更優化的實驗方案。比如在DCS實驗中，通過對學生實驗過程數據的分析，得出每個學生的優缺點，如表2所示。

表2 在線實驗評價實例

在選取的兩個學生中，甲學生雖然分數略高，但操作相關的指標得分都不高，因此在后續實驗中，主要給該學生提供注重操作及規范的實驗，比如開關機實驗和某些故障處理實驗。而乙學生操作和動手能力較好，但不注意理論和實驗設計，以及數據處理等工作，在后續實驗中，應多推送理論學習的模塊，提醒學生注意數據處理和實驗報告的完成。

四、在線實驗系統的設計框架

作為在線實驗系統核心部分的探究式學習模式以及相應的在線評價體系設計完成以后，在線實驗系統框架基本構筑完畢。在線實驗系統應本著簡單、適用、高效的原則，實行通用化、標準化、智能化、人性化的設計思想。學生可以通過在線實驗平臺在教師的指導下進行實驗教學的全過程，而在線實驗平臺則通過記錄學生在線上參加的實驗過程、實驗練習以及培訓交流等情況，實現對學生實驗情況的全程跟蹤管理和對學生實驗教學需求的全面掌握。

在線實驗設計的基本架構如圖2所示?？梢钥闯觯诳蚣芎诵牟糠值臉I務層中，支持探究式學習過程是貫穿設計始終的問題，所以應改變原先某些實驗只是為驗證理論的設計，把發現問題、分析問題、設計解決方案、實施解決方案的探究式思路在實驗教學中實現。同時需要學生在各個環節的實驗過程進行完整的記錄，作為其是否按照教學思想完成實驗內容進行考核的依據，同時還可以通過智能化的數據分析和數據挖掘，為學生提供經過優化的個性化實驗教學模塊。

圖2 實驗平臺總體設計方案

組件層和服務層和平臺軟硬件設計相關，在其他文章中有詳細介紹，本文不再贅述[7-10]。

五、結論

在線實驗與傳統 實驗的教學模式存在較大差異，因此在實驗設計與開發中，應充分考慮在線學習環境下的特點，實施在線探究式學習策略，利用網絡與計算機技術的優勢，在基于對實驗過程進行全程監控的基礎上建立在線評價系統，為評價探究式學習結果提供科學的依據，同時能在智能化數據分析與挖掘的基礎上，進行實驗模塊的進一步優化?；谔骄渴綄W習設計框架的在線實驗是一種新型的實驗形式，在整個實驗過程中注重培養學生工程化理念，在工科遠程教育、多校區之間的實驗教學和高校間實驗共享中得到了廣泛的應用。

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[2]Ferguson Clive,Brodie Lyn,Endean Mark,Goodhew Peter,Palmer Stuart. An investigation into the adoption of CDIO in distance learning[R]. Loughborough, UK:IEEE2008 International Conference on Innovation, Good Practice and Research in Engineering Education,2008.

[3]查建中.面向經濟全球化的工程教育改革戰略—兼談CDIO工程教育模式實施 [J].高等工程教育研究，2010,(11)：2-7.

[4]Crawley, E., Malmqvist, J., Ostlund, S. and Brodeur, D. Rethinking Engineering Education-The CDIO Approach[M]. New York :Springer Science + Business Media,2010.

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[6]程華，姚俊等.中英遠程教育實驗課程的個案與比較研究[J].中國電化教育，2012,(7): 42-47.

[7]Yao Jun, Cheng Hua.Practice and Exploration of distance engineering education[R]. Shanghai:2009 International Symposium on Total Engineering Education,2009.

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[10]Cheng Hua, Yao Jun. Standardization of Experimental Course Development on Internet[R].Shanghai: 2009 International Symposium on Total Engineering Education, 2009.

姚?。褐v師，研究方向為計算機網絡和現代遠程教育（13641679131）。

程華：副研究員，研究方向為計算機網絡和現代遠程教育。

應衛勇：教授，研究方向為化學工程和現代遠程教育。

2014年5月2日

責任編輯：馬小強

Design and Research of Online Experiment Based on Inquiry-based Learning

Yao Jun, Cheng Hua, Ying Weiyong

(College of Distance Education, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237)

Online experiment is important for distance engineering education, multi-campus experiment course and between universities experiment sharing. As a new form of experiment, online experiment is not a simple network laboratory transplanted from traditional one. Online inquiry-based learning strategy and online record and feedback is emphasized in the whole process of design, development and implementation, and it also includes online assessment based on data integration and analysis. This plays an important role for the implementation of engineering ideas. In this paper, based on the design and development of typical online experiments in China and UK, the implementation of inquiry-based Learning strategy in the online experiment is illustrated on the experiment scheme inquiry and experiment operation process inquiry, and the construction of process assessment system to evaluate the result of inquiry-based Learning in the online experiment.

Online Experiment;Inquiry-based Learning;Online Assessment System

G434

A

1006—9860(2014)09—0100—05

* 本文系教育部項目“高等學校繼續教育課程學分標準及質量內涵和學分轉移制度與機制的研究及應用”(項目編號：教高函[2011]6號) 系列課題之一“理工類課程(含實驗)互選互認的研究與實踐”(課題編號：CECC06)成果。